《矿山压力及岩层控制》是研究煤矿开采过程中矿山压力分布及其显现规律,探讨矿山压力控制措施和控制方法的一门工程技术学科,是采矿工程专业学生的主要专业课,也是其他井下工程类专业的专业基础课程。学生通过对本门课程的学习,要对煤矿中采场和采区巷道周围煤(岩)体内矿山压力分布及其显现有比较完整的认识和了解,基本掌握控制采场和井下巷道矿山压力的方法和措施。结合实验课和实践性教学,使学生得到有关研究和解决煤矿生产现场矿山压力问题基本技能的训练。
河南工程学院安全工程系成立于2003年,矿山压力与岩层控制课主要是煤矿开采技术专科所设的课程,矿山压力是以《矿山压力与岩层控制》《弹性力学》和《岩石力学》为基础的一门专业理论课。专科类学生一般是三年制,在有限的时间内,主要是专业技术的培养,对于理论的要求深度较浅。所以,专科类的力学基础课程只有一门《工程力学》。矿山压力中的一些基本的理论推导,对于专科学生来说相当困难,如果一味地补充知识,势必会造成课时的不足,使原有的教学计划不能按时完成,如果放弃理论推导,结果往往是不能深刻理解基本的知识点,导致在矿山压力与岩层控制教学中存在课程要求和学生知识结构的矛盾。比如,椭圆形孔周边的应力分布特征,在理论推导中不但用到弹性力学的知识,还需要很深的数学理论推导,其难度对于专科生来讲是非常大的,而要简明扼要地表达出来,对于老师来说也有很大的困难。
一、创建数值模拟技术的必要性
实验是矿山压力与岩层控制教学的重要组成部分,它和理论教学相辅相成。实验是力学理论的基础,理论也需要实验的验证。目前,由于教学课时及实验经费的限制,传统的实验模式已不能满足矿山压力与岩层控制教育的要求,矿山压力与岩层控制实验的改革应走在矿山压力与岩层控制教学改革的前列。随着计算机技术的发展,借助现代数值模拟技术,通过计算机终端。虚拟模拟矿山压力与岩层控制实验,并依靠数值模拟软件的强大的后处理功能,将虚拟模拟的实验结果直观地展现在学生面前。这对于解决目前矿山压力与岩层控制实验室中的实验设备短缺,一般只能做教学大纲规定的基本实验和少数选修实验,很多综合性的实验利用现有常规仪器难以完成的现象是一种有效的方法。利用数值仿真软件,模拟一些实际实验室环境难以实现的力学实验,弥补了常规实验条件的不足,而且许多实验结果以彩色动画形式展示,还可提供多种实验数据处理平台,增强了学生对矿山压力与岩层控制理论的感性认识。
二、数值模拟技术应用于矿山压力与岩层控制试验教学的优势所在
随着计算机技术的快速发展,数值模拟软件得到空前的发展。目前比较常用的数值模拟软件有基于离散元原理的UDEC、3DEC,有基于有限元原理ABAQ US、ANSYS、MARC等,这些软件具有强大的前处理及后处理功能,对于模拟矿山压力与岩层控制的实验非常有利。还有就是基于有限差分理论的FLAC,它是岩土工程界最流行的数值模拟软件,可以模拟结构、 热、流体、多种物理场之问的耦合效应,可以利用内嵌的本构关系和建模功能进行硐室的开挖,应力分布特征,位移分布规律的分析等。将数值模拟技术引入矿山压力与岩层控制教学的优点:
1.可以培养学生的学习兴趣
矿山压力与岩层控制的最大特点、难点是概念多,相关的公式推导,需要进行大量的力学理论和复杂的几何和数学推导,如果只是纯粹的教学讲解,上述过程中的概念和几何要素要经过脑海中的反复构思和想象才能有所消化,对力学与数学基础较弱的同学来说确实感到有所畏怯,另外有些细节部分如应力集中及关键层的讲解,教学的时候也只能说是应力分布非常复杂,至于多么复杂准也说不清楚. 数值模拟软件直观形象的以图片的方式展现在学生面前,有助学生的理解,从而提高学生对矿山压力与岩层控制的学习兴趣。
2.可以培养学生的计算机应用能力
数值模拟软件一般拥有极强大的计算分析和图形显示功能,将其与矿山压力与岩层控制的教学和实际工程中的力学现象的模拟相结合,可以使学生更容易地理解教学中的一些疑难问题。通过这种与计算机技术结合的教学方式,可以扩大学生的视野,拓宽知识面,同时掌握某种计算软件的应用,对学生以后的工作来说是一种较好的工具。
三、数值模拟技术在矿山压力与岩层控制教学中的实例
1.应力集中的数值模拟
由于工作面的推进,必然会引起应力集中,利用Flac软件进行模拟,得到垂直方向应力分布的特征,如图1。
图1 开挖引起的应力集中现象模拟
2.关键层的模拟
关键层是位于采场上方对局部岩层和全部岩层活动期控制作用的岩层,关键层的变形将导致其上方的局部和全部岩层与之发生同步的变形。利用UDEC软件对煤层开挖引起的关键层变形进行模拟,如图2。
图2 开挖引起关键层变形的模拟
数值模拟与矿山压力与岩层控制教学有机结合起来,通过数值模拟软件强大的图形显示功能,使得复杂的应力分布规律和矿山压力与岩层控制显现的基本规律能够直观的层现在学生面前,使得学生更易于理解和掌握矿山压力与岩层控制的基本理论,开阔了眼界,拓宽了视野,从而有效地解决了教学中的一些疑难问题,培养了学生的兴趣,提高了教学质量和效率,提高了学生理论联系实际的能力,增强了工程设计和计算的意识概念,同时培养了学生的计算机应用能力,为以后的工作打下了基础。
(作者单位:河南工程学院)